Japan will Proben vom Marsmond holen und hofft auf besonderen Beifang

Noch nie ist eine Probe aus dem Marssystem in einem irdischen Labor untersucht worden. Japan schickt nun einen Rover und ein Landemodul, um das zu ändern. Das Zeitfenster für den Start der Mission MMX (Martian Moons eXploration) öffnet sich am 20. Oktober.

Ziel ist der größere der beiden Marsmonde, Phobos, ein 27 km x 22 km x 18 km messender Himmelskörper. Um den Jahreswechsel 2027/28 soll das Mutterschiff im Marssystem ankommen.

Auf Phobos soll MMX eine Bodenprobe nehmen und zur Erde zurückbringen. Das allein wäre ein Meisterstück für jede Weltraum­nation. Aber es könnte der „Beifang“ sein, der die Mission veredelt. Womöglich enthält die Probe nicht nur Material von Phobos, sondern auch vom Mars selbst. Und dann wäre ­Japan das erste Land, dass echtes Marsmaterial unters Mikroskop bekommt.

Startverzögerung wegen Problemen mit der Rakete

Ursprünglich hätte MMX bereits im Jahr 2024 starten sollen. Probleme mit der japanischen H3-Rakete haben den Start aber verzögert. Eine Ersatzrakete stand nicht zur Verfügung. „Die Startverschiebung war alternativlos. Die Falcon Heavy konnte die Last nicht tragen, die Ariane 5 gab es nicht mehr und die Ariane 6 war noch nicht fertig“, sagt Markus Grebenstein, Projektleiter für den MMX-Rover Idefix am Deutschen Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR).

Die Konsequenz ist eine deutlich veränderte Flugtrajektorie mit einem verlängerten, energieintensiveren Hinweg. „Allerdings benötigen wir erheblich weniger Sprit für den Rückweg“, sagt Grebenstein.

Was einen guten Landeplatz ausmacht

Bereits im Vorfeld hat Japans Weltraumagentur Jaxa mögliche Landeplätze auf Phobos identifiziert. So gut jedenfalls, wie das mit dem vorhandenen Kartenmaterial möglich war. Die beste verfügbare Auflösung liegt aktuell bei grob 5 m pro Pixel. Ausgeschlossen sind Zonen, in denen sich schon in diesen Daten steile Kraterwände verraten. Die Polregionen kommen ebenfalls nicht in Betracht, weil dort zu wenig Sonnenlicht für den Betrieb des Rovers und des Landemoduls ankommt. Aus dem gegenteiligen Grund fällt die Äquatorregion für die Landung aus: Hier ist es aufgrund der dauernden Sonneneinstrahlung zu heiß. „Wir brauchen ein gemäßigtes Klima“, sagt Grebenstein.

Und schließlich spielt noch die sogenannte Ekliptik eine Rolle. Phobos ist relativ nah am Mars, im Mittel 9380 km. Der Marsschatten wirkt sich deshalb massiv auf das Energiebudget der Mission aus. „Immer wieder wird auch am Tag die Sonne hinterm Mars verschwinden“, sagt Grebenstein. Phobos hat – wie der Mond der Erde – keine Eigenrota­tion. Er wendet dem Mars immer dieselbe Seite zu. Zudem liegt er präzise in der Äquatorialebene des Mars, sodass sich die Problematik der Ekliptik stark auf das Energiebudget der Mission auswirkt.

Rover Idefix als Kundschafter für das Landemodul

Das MMX-Mutterschiff soll nach der Ankunft im Marssystem zügig eine Umlaufbahn um Phobos einnehmen, um aus größerer Nähe nach einem Landeplatz zu suchen. Ungefähr ein Jahr hat MMX dafür zur Verfügung. Für mehr reichen die Treibstoffreserven an Bord nicht. Das ist vor allem deshalb relevant, weil es energieaufwendig ist, eine Umlaufbahn um Phobos zu halten. Aufgrund der geringen Gravitation gibt es keine stabilen Orbits um Phobos. Vielmehr besteht die Umlaufbahn aus einer Endlosabfolge kleiner Triebwerkszündungen, sodass der mitgeführte Treibstoff die Verweildauer limitiert. „Die Bahnmechanik um Phobos ist extrem komplex“, sagt Grebenstein.

Für den Ort der Landung gibt es ein strenges Kriterium. Genau genommen müssen zwei Landungen möglich sein. Denn das Mutterschiff soll den Rover als Kundschafter absetzen, bevor das Landemodul zum Mond absteigt. Mindestens 60 m müssen zwischen beiden Aufsetzpunkten liegen, damit nicht aufwirbelnder Sand die Solarpaneele schädigt. Trotzdem müssen die beiden Orte so ähnlich sein, dass die Daten des Rovers für das Lande­modul eine Hilfe sind.

40 Meter freier Fall

Ist ein geeigneter Ort gefunden, setzt das Mutterschiff um den Jahreswechsel 2028/29 zu einer Art „Probelandung“ an. Es nähert sich der Phobos-Oberfläche bis auf 40 m und steigt dann wieder auf. Am tiefsten Punkt setzt es den Rover aus, der daraufhin zur Oberfläche hinunterfällt, wahrscheinlich mehrmals aufprallt und schließlich liegen bleibt. „Das Mutterschiff setzt den Rover genau zum Zeitpunkt der Umkehr ab, damit der Rover möglichst wenig Geschwindigkeit in vertikaler Richtung hat“, sagt Grebenstein.

Problematisch sollte der Fall für den Rover nicht sein. Die Gravita­tion ist derart gering – 0,0005 g oder ein Zweitausendstel der Erdgravitation –, dass der Rover kaum beschleunigt. Für 40 m freien Fall benötigt er 70 s. Auf der Erde wiegt Idefix 25 kg, auf Phobos entspricht das einem Briefumschlag. Einzig die Solarpaneele sind mit Knautsch­zonen aus Aluminiumschaum eingepackt.

Von der Erde abgeschnitten: 54 Stunden Signallaufzeit hin und zurück

30 Tage später soll das Lande­modul Idefix nachfolgen. Es soll ­eine Probe entnehmen und zur Erde zurückschießen. So viele Probleme die geringe Gravitation auch macht, hier ist sie eine Hilfe. Denn von Phobos aus lässt es sich relativ einfach ins Sonnensystem hinaus starten; es braucht nicht viel, um 0,0005 g zu überwinden. Aus diesem Grund gilt Phobos auch als Kandidat für eine Zwischenstation für Marsmissionen.

Die Geräte der MMX-Mission müssen während der Mission weitgehend autonom funktionieren. Jeder Datenverkehr mit der Erde benötigt hin und zurück und über den Umweg des Mutterschiffs 54 Stunden. Deshalb kann Idefix umso mehr Forschung leisten, je besser sich die Bedingungen auf Phobos mit den Simulationen deckt. Die Teams können dem Rover dann mehr Autonomie zugestehen.

So viel Mars steckt in Phobos

MMX ist eine Phobos-Mission, keine Marsmission – das zu betonen, ist den Verantwortlichen wichtig. Dennoch gilt es unter Marsforschenden mindestens als wahrscheinlich, dass Phobos mit Marsmaterial kontaminiert ist. Selbst auf der Erde gibt es aus der Frühphase des Sonnensystems Marsmaterial. Und andersherum.

Es gibt zwei Möglichkeiten. Entweder Phobos ist ein Asteroid, der vom Mars eingefangen worden ist. Dann ist er immer wieder durch Marsstaub geflogen, den Asteroideneinschläge aufgewirbelt haben. Oder Phobos ist ein Konglomerat aus Marsmaterial, das einst bei Einschlägen abgesprengt worden ist. Dann ist ­alles, was man dort findet, automatisch „Mars“.

Ein Fall für die „planetary protection rules“

Der Mars fällt unter die sogenannten „planetary protection ­rules“, ein internationales Regelwerk, dass Planeten schützen soll. Das gilt für Hardware, die von der Erde zum Mars fliegt. Deshalb müssen alle Sonden, die zu fremden Planeten fliegen, unter den schärfsten Reinraumbedingungen montiert werden.
Das gilt aber auch für Material, das vom Mars zur Erde gelangt. Man will verhindern, dass heimkehrende Vehikel etwas einschleppen, das zur Gefahr werden könnte. Die „planetary protection rules“ gehen beim Mars von einer (dünnen) Atmosphäre aus, die potenziell die Existenz von Mikroorganismen erlaubt.

Für Phobos gelten diese Regeln nicht. Das lässt sich auch begründen. Wenn Material vom Mars auf Phobos liegt, dann liegt es dort schon sehr lange. Es ist durch die hohen und tiefen Temperaturen, die UV-Strahlung der Sonne und allgemein die Exposition gegenüber dem Weltraumwetter ohne schützende Atmosphäre sehr effizient sterilisiert worden. Es ist damit Phobos-­Material geworden. „Phobos ist durch seine harschen Umwelt­bedingungen der beste Sterilisator, den man sich vorstellen kann“, sagt Grebenstein.